中文引用格式： 李海濤，渠紅光，趙春濱，等. 數字示波器模擬輸入帶寬測試方法研究[J]. 電子技術應用，2025，51(1)：46-49.
英文引用格式： Li Haitao，Qu Hongguang，Zhao Chunbin，et al. Research on measurement method of analog input bandwidth of digital oscilloscope[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(1)：46-49.
引言
數字示波器是一種用于測量、分析和顯示時變模擬電信號的測量儀器。它通過對輸入模擬電信號進行采樣、數字化和存儲等處理，得到數字電信號，然后利用數字信號處理技術，在顯示屏上直接顯示出相應的波形參數。
模擬輸入帶寬也稱-3 dB帶寬、3 dB帶寬、模擬帶寬等，文中簡稱帶寬（Bandwidth，BW）。在數字示波器中，帶寬的簡單定義如下：示波器測得標準正弦波的幅值不低于輸入正弦波信號幅值的0.707時的最高頻率，默認的帶寬從直流（0 Hz）開始[1-6]。一般情況下，首選測量得到示波器的幅度頻率特性響應曲線（又稱幅頻響應、幅頻特性、幅頻曲線、Bode Plot、波特圖等），之后歸一化，找到第一個輸入幅值衰減到0.707時對應的頻率值，該點就是示波器的-3 dB帶寬最大值。帶寬被稱為數字示波器的第一參數指標，在選擇數字示波器時，首先要確定的參數指標也包含帶寬。
按照采樣方式劃分，數字示波器可以分為實時采樣示波器、等效采樣示波器等，其通道組成基本相同。前向通道主要包括模擬信號調理、采樣保持電路（Track and Hold Circuit）、模擬數字轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）等，是示波器模擬帶寬的主要組成部分[5-6]。模擬信號調理主要包括阻抗選擇、交直流耦合、無源衰減、基線偏移調節、增益衰減等。在實時采樣示波器內部，THC一般包含在ADC中；在等效采樣示波器內部，THC一般為獨立模塊以提高帶寬。ADC主要完成模擬數字轉換功能，模擬輸入帶寬、采樣率（水平分辨率）、垂直分辨率等是其核心性能參數。ADC輸出的數字信號進入后向通道的數字信號處理（Digital Signal Processer，DSP）等部分，在DSP中實現數字補償算法，精細補償幅頻特性曲線，可以得到更加平坦的數字帶寬。本文主要研究示波器的模擬輸入帶寬的測試方法。
根據前述，數字示波器中的帶寬包含了模擬信號處理鏈路、THC、ADC、DSP等器件的貢獻，是示波器保持穩定工作的頻率范圍，是相關貢獻因素的均方根[4,7-8]。數字示波器的帶寬是一個系統帶寬的概念，不僅包含了運算放大器、采樣保持器、ADC等的模擬帶寬等，而且可能包含了DSP的數字帶寬等。不同廠商的示波器帶寬不盡相同，有的數字示波器帶寬也稱為DSP數字增強型帶寬，有的則為模擬輸入帶寬（不包含DSP帶寬等的貢獻）。
數字示波器中的帶寬按照輸入信號幅值大小的情況，可以分為大信號帶寬（Large Signal Bandwidth，LSBW）和小信號帶寬（Small Signal Bandwidth，SSBW）[9]。這里借鑒了運算放大器的帶寬定義，運算放大器的帶寬包含了大信號帶寬和小信號帶寬兩種帶寬定義，兩者側重的參數不同。大信號帶寬主要和電壓擺率（Slew Rate，SR）相關，強調對大幅值快變信號的精確跟隨能力。小信號帶寬主要由上升時間（tr）和下降時間（tf）決定，強調對小幅值信號的精確跟隨能力。因為運算放大器是數字示波器模擬信號鏈路上的關鍵器件之一，而且ADC中一般不專門提及SR的概念，可知數字示波器帶寬一般為小信號帶寬，即常見的示波器帶寬。
目前，商用的國外示波器品牌主要有泰克（Tektronix）、是德（Keysight）、力科（Lecroy，已被Teledyne收購）等，國內的示波器品牌主要有普源精電、鼎陽等。不同示波器生產商對示波器的帶寬定義各有特色，國外三種品牌的示波器的幅值頻率響應（幅頻響應）特性也不同，可以細分為三種不同的幅頻響應特性曲線（也稱波特圖），分別是：泰克的高斯響應（Gaussian Response）、是德的最大平坦響應（Maximum Flatness Response，又稱磚墻響應）、力科的四階貝塞爾響應（4th order Bessel Response）[10-13]。國內示波器品牌中，鼎陽的示波器產品的幅頻響應特性曲線和力科產品類似，普源精電的示波器產品和是德的產品類似。三種幅頻響應曲線的帶內平坦度和帶外滾降特性各有特色，高斯響應在帶外衰減較慢，最大平坦響應的在帶外衰減很快，四階貝塞爾響應則是兩者的折中，典型的對比如圖1所示，給出了示意幅頻響應曲線，x軸為線性坐標，表示頻率，y軸為對數坐標，表示不同頻率對應的功率分量，一般采用對數坐標表示。在測量不同性質的信號（高頻信號、中頻信號、低頻信號等）和信號參數（信號上升時間、眼圖、混疊誤差等）時，三種幅頻響應曲線各有特色。一般情況下，三種響應均能夠滿足要求，在進行特殊測量時或者對測量精度要求很高時，可以根據需要選擇合適的示波器產品。隨著技術的進步，三個主流產品的幅頻特性曲線也在相互借鑒，相互優化。
圖1 三種典型的幅頻響應曲線
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作者信息：
李海濤，渠紅光，趙春濱，劉森，田耕
（西北核技術研究所 強輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安 710024）
